基于磁流变抛光法的光学元件抛光专利技术综述

张欢

摘 要：磁流变抛光法是目前用于抛光光学元件的热点技术。文章从基于磁流变抛光法的光学元件抛光的基本概念出发，统计和归纳了该技术领域的国内外专利文献，梳理了该领域的技术发展脉络，最后结合具体案例阐述了技术综述在审查实践中的应用。

关键词：磁流；抛光法；专利

中图分类号：T-18 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0005-02

Abstract： Magnetorheological polishing is a hot technology used in polishing optical elements. In this paper， based on the basic concept of optical element polishing based on magnetorheological polishing method， the domestic and foreign patent literatures in this field is counted and summarized， and the technical development in this field is combed. Finally， based on specific cases， this paper expounds the application of technical review in the practice of inspection.

Keywords： magnetic current； polishing method； patent

1 概述

目前對光学元件的加工要求越来越高，例如碳化硅（SIC）作为第三代半导体材料的核心的光学晶片材料，是一种具有热导率高、电子饱和漂移速率大等特点，因而被用于制作高温、高频、抗辐射集成电子器件，碳化硅晶片的应用要求表面超光滑、无损伤，其加工质量和精度直接影响到其器件的性能，但碳化硅的硬度仅次于金刚石，其莫氏硬度为9.2，用传统的机械抛光法加工很难达到碳化硅晶片需要的精度[1]。

最早把磁流变效应应用于抛光的是前苏联传热传质研究所的W.I.Kordonski、I.V.Prokhorov，他们于上世纪90年代初将电磁学流体动力学和分析化学相结合而提出一种新型的光学零件加工方法，即磁流变抛光技术（Magnetorheological Finishing，简写MRF），经过二十多年的发展，磁流变抛光技术已经成为碳化硅晶片等重要光学电子器件的主流抛光方法之一。相比国外成熟的磁流变抛光技术，国内对磁流变抛光技术的研究目前尚在基础研究阶段[1]。国外的在磁流变抛光领域的知名企业或科研机构包括：美国Rochester大学的光学制造中心，曾发明了磁流变射流加工方式；QED科技技术公司，研制出了QED系列磁流变抛光机，大大提高了抛光效率。国内的在磁流变抛光领域的知名企业或科研机构包括：中国科学院长春光学机械研究所，曾经申请了一种磁流变抛光装置；哈尔滨工业大学，研制了适合于磁流变抛光的水基磁流变液；清华大学，开发了五轴联动的磁流变抛光系统。

2 磁流变抛光法技术分支及各分支演进路线

基于磁流变抛光法的光学元件抛光技术分支如表1所示。

2.1 磁流变液的成分及配比技术演进路线和关键技术介绍

磁流变液的成分及配比这一技术分支，涉及磁流变液的抛光磨粒和磁性基体的种类，及各成分在抛光液中所占比例，这直接关系着光学元件实际抛光效果。图1显示了磁流变液的成分及配比技术在演进过程中主要涉及4种技术效果：（1）提高磁流变液体使用寿命；（2）便于清刷工件；（3）使抛光更精细；（4）减少工件表面划伤。

对于第1种技术效果，普遍是通过使用新的基载液的材质，降低磁流变液的粘稠度，使其能更多次的循环使用。公开号为EP0703847B1的专利申请公开了一种有较低粘稠度的磁流变液的配方；公开号为CN101260279A的专利申请，以二甲基硅油代替水为基载液，使得磁流变液零磁粘度更低。另外一种能提高磁流变液体使用寿命的做法是多磨粒进行保护，这样使得磨粒能更经久耐用，公开号为CN1725388A的专利申请公开了一种利用正硅酸乙酯水解反应包覆薄膜的技术。

对于第2种技术效果，由于在磁流变抛光中，经常会出现抛光磨料粘到工件上的情况，这导致了工件不易被清洗，而通过改进抛光液成分，能使工件易于被清洗。公开号为WO2008/066065A的专利申请在基液中包含水溶性多元醇，不含水和油，使得工件在抛光后容易被洗涤。公开号为JP特开2010-053529的专利申请，用PH调节剂使抛光物体间电位满足特定关系，使工件清洗更加简单。

对于第3种技术效果， 在磁流变抛光中，工件能达到的精度级别是衡量磁流变工艺效果的重要指标，在磁流变抛光中，普遍的工件加工后的精度级别能达到纳米级，因此普遍的研究着重放在如何让加工精度达到原子级别。以下几篇代表性专利申请就从其它方面来改进磁流变液，从而提高工件加工精度。公开号为WO2011/144501A1的专利申请在磁流变液中加入了一种玻璃腐蚀液体，提前对玻璃类型的光学元件进行化学腐蚀加工，这样之后进行的磁流变加工能更容易地磨削工件表面，提高加工精度。公开号为US2014/0020305的专利申请，提供一种改进的磁流变液，包含两种不同粒径的磨粒，其声称通过实验得到这两种粒径的磨粒配合，抛光效果远超单种粒径的磁流变抛光液，可以使工件达到原子级光滑表面。

对于第4种技术效果，磁流变抛光液在抛光时由于其本身的磁流变效应的特点，容易出现对工件的划伤，因此如何改进磁流变液以减少对工件的损伤也是磁流变液的研究方向之一。公开号为JP特开2014-141667A的专利申请中提出：研磨液中加入中和的盐和螯合剂，能减少工件表面划伤。公开号为JP特开2014-120189A的专利申请提出了在研磨液中添加水溶性聚合物可以有效地减少抛光时工件表面划伤。

整体看来，自从公开号为SU1202834的专利文件作为磁流变抛光的基础专利公开以来，对磁流变液的研究一直都未停止，针对如何提高上述4种技术效果的专利申请也一直贯穿着整个时间段。

2.2 工艺步骤技术演进路线和关键技术介绍

工艺步骤这一技术分支，是磁流变抛光方法的重要研究内容之一，工艺步骤的选择和顺序直接关系着实际抛光效果。工艺步骤技术在演进过程中主要涉及2种技术效果：（1）提高抛光效率；（2）提高工件加工精度。

对于第1种技术效果，磁流变加工由于其的加工精度较高，磨粒较细，因此加工时间很长，纳米级加工通常需要数个小时，因此如何提高磁流变抛光时的效率，是研究的主要内容之一。公开号为US6297159B1的专利申请，在磨轮和工件之间直接喷入磁流变液，使磨削更加充分。

对于第2种技术效果，不同的工艺步骤对工件的加工精度影响较大。公开号为US8944883B2的专利申请，加入了可变磁场永磁体操作系统，使磁场的角度可变化，能根据工件实际进行调整，有利于提高工件加工精度。公开号为US2011/0028071A1的专利申请，通过电控系统实时控制，根据检测指标实时控制磨削和流量，有利于提高对加工精度的控制。US8896293B2，在系统中增加了新型集成流体管理模块，使磁流变液的流速稳定，有利于提高工件抛光精度。

整体看来，无论是提高加工效率还是加工精度，将多种方法结合进行抛光是现在的发展趋势之一，同时将加工分块，分级别，分别使用不同的抛光技术，无论对于提高加工效率还是加工精度都有显著的帮助。

整体看来，针对不同种类的光学元件，抛光设备的结构各不相同，但对于同种光学元件，如平面晶片，其加工设备从刚开始即确定了基本构架，而后续的改进主要集中在设备的自动化，可调整性方面的改进，可以预见，这也是磁流变抛光设备将来发展的主流趋势。

参考文献：

[1]吴战成.集群磁流变效应超光滑抛光加工过程研究[D].广东工业大学，2011.

[2]杨仕清，彭斌，等.复合智能材料磁流变液的制备及流变性质研究[J].材料工程，2002（9）.

[3]Kordonski Wm I Adaptive Structures Based 0n Magnetorheological Fluids.Proc 3rd Int Cone Adaptive Struct，edWada，Natori and Breitbach，San Diego，CA，1992.13.17.

[4]孫希威，康桂文，等.磁流变液抛光去除模型及驻留时间算法研究[J].机械加工工艺与装备，2006.